專(zhuān)利名稱(chēng)：一種三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三角形結(jié) 構(gòu)的微懸臂梁傳感器及其制作方法，特別是關(guān)于一種應(yīng)用于生物、化學(xué)傳 感中的帶有方形反光板的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器及其制作方法。io背景技術(shù)微懸臂梁結(jié)構(gòu)是一種最簡(jiǎn)單的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，它易于進(jìn)行微 加工以及大量生產(chǎn)。近年來(lái)，將高靈敏度的微懸臂梁技術(shù)應(yīng)用于生物、化 學(xué)的實(shí)時(shí)探測(cè)成為傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這類(lèi)傳感器可以在氣態(tài)或者液態(tài)條件下探測(cè)微量生化分子的存在。例15如空氣中的有機(jī)氣體、有害氣體、芳香劑，液體中的DNA、蛋白質(zhì)等。 少量的分子吸附在微懸臂梁的表面就會(huì)導(dǎo)致微懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)量和振蕩 頻率的變化。然而，液體介質(zhì)的阻尼效應(yīng)嚴(yán)重影響了懸臂梁器件的振蕩響 應(yīng)，而基于懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)的測(cè)量方法不會(huì)受到介質(zhì)粘性的影響，因此， 基于懸臂梁彎曲的測(cè)量方法在生物和化學(xué)探測(cè)中更具有吸引力。20 可以使用許多方法來(lái)測(cè)量懸臂梁的彎曲，包括光學(xué)、電容、壓阻和電子遂穿等方法。使用壓阻讀出需要電流流過(guò)懸臂梁，產(chǎn)生額外的熱耗以及 附帶的熱漂移。電容讀出的缺點(diǎn)是電解液的電導(dǎo)導(dǎo)致電容法測(cè)量困難。光 學(xué)探測(cè)方法與流體系統(tǒng)兼容，而且不必和懸臂梁有電接觸，具有較高的探 測(cè)精度。25 現(xiàn)有懸臂梁的結(jié)構(gòu)一般采用矩形結(jié)構(gòu)或者V型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，圖1為現(xiàn)有懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖1-1為矩形結(jié)構(gòu)懸臂梁示意圖， 圖l-2為V形結(jié)構(gòu)懸臂梁示意圖。矩形結(jié)構(gòu)懸臂梁在液體中由于受到液體流動(dòng)的影響，自由端容易產(chǎn)生 波動(dòng)，影響測(cè)量精度。V形結(jié)構(gòu)在液體中自由端受到液體流動(dòng)的影響小得30多，但是使用光學(xué)讀出時(shí)，現(xiàn)有V形結(jié)構(gòu)的懸臂梁自由端的反射光強(qiáng)度較 小。而且現(xiàn)有使用犧牲層釋放法制作懸臂梁的工藝中，用于犧牲層釋放的 設(shè)備昂貴，而且成品率較低。發(fā)明內(nèi)容5 (—)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳 感器，以提高反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度及測(cè)量的精度，在使用光學(xué)讀出的系統(tǒng)中， 使測(cè)量結(jié)果更加精確，并提高成品率。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的制 10作方法，以提高反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度及測(cè)量的精度，在使用光學(xué)讀出的系統(tǒng) 中，使測(cè)量結(jié)果更加精確，并提高成品率。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的的一個(gè)方面，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的-15 —種三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，該傳感器包括用于支撐懸臂梁的襯底框架；至少一個(gè)固定于襯底框架上的懸臂梁結(jié)構(gòu)；固定在構(gòu)成所述懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩個(gè)懸臂梁交叉成銳角端的反光板。 所述懸臂梁結(jié)構(gòu)由兩個(gè)交叉成銳角的懸臂梁構(gòu)成，兩個(gè)懸臂梁交叉成20銳角端固定有反光板，兩個(gè)懸臂梁交叉成銳角端的對(duì)端分別固定于襯底框 架上。所述襯底框架為單晶硅材料。 所述懸臂梁和反光板為多層結(jié)構(gòu)。所述多層結(jié)構(gòu)中，支撐層為低應(yīng)力氮化硅，在所述氮化硅層上蒸發(fā)淀 25 積有鉻/金雙金屬層。所述氮化硅層厚度為1至2pm，鉻層厚度為50至100埃，金層厚度 為300至lOOOpm。所述反光板和懸臂梁的金層表面設(shè)置有敏感層。 所述敏感層為由生物活性材料構(gòu)成的自組裝單分子膜。 30 所述反光板的形狀為方形，所述方形反光板面積為900至200(Htm2，
反光板中心到支撐框架邊緣的垂直距離為200至80(Him;所述懸臂梁的長(zhǎng)為210至450jam，寬為5至50jam。為達(dá)到上述目的的另一個(gè)方面，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的制作方法，該方法包括 5 A、采用雙面拋光p型硅片，經(jīng)過(guò)常規(guī)清洗后，在硅片兩面使用LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅層；B、 用第一塊掩模板在硅片背面定義出刻蝕窗口，然后刻蝕掉氮化硅;C、 用第二塊掩模版在正面進(jìn)行光刻，經(jīng)刻蝕，形成反光板和懸臂梁 以及支撐懸臂梁的襯底框架；10 D、在步驟C得到的硅片的正面，使用電子束蒸發(fā)淀積鉻/金雙金屬膜;E、用KOH濕法腐蝕硅襯底，釋放反光板和懸臂梁，得到三角形結(jié)構(gòu) 微懸臂梁傳感器。(三)有益效果15 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、 懸臂梁在液體中容易受液體流動(dòng)的影響，而導(dǎo)致自由端，也就是 反光板部分的上下擺動(dòng).影響測(cè)量精度。與矩形懸臂梁相比，在相同梁寬， 自由端到固定端的垂直距離相同的情況下，三角結(jié)構(gòu)的懸臂梁比矩形結(jié)構(gòu) 的懸臂梁具有更好的穩(wěn)定性。因此，利用本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)的微懸20臂梁傳感器，提高了測(cè)量的精度。2、 相對(duì)于矩形懸臂梁和不帶反光板的三角形結(jié)構(gòu)的懸臂梁，帶有反光板的三角形結(jié)構(gòu)的懸臂梁提高了反射光的光強(qiáng)強(qiáng)度，在使用光學(xué)讀出的 系統(tǒng)中，使測(cè)量結(jié)果更加精確。3、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用標(biāo)準(zhǔn)的硅表面加工技術(shù)及簡(jiǎn)單的襯底全鏤空的制25作工藝，提高了成品率，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。4、 靈活性好?？梢栽谝粋€(gè)單元的硅襯底上制作不同長(zhǎng)度和寬度的懸臂梁器件。5、 在生物化學(xué)量的測(cè)量中，特別是在液體環(huán)境下的測(cè)量，可以得到廣泛的應(yīng)用。30


圖1為現(xiàn)有懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的示意圖；圖3為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器另一種形式的示意5圖；圖4為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的剖面圖；圖5為本發(fā)明提供的制作三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的方法流程圖；圖6為本發(fā)明提供的制作三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的工藝流程示意圖。10具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的示意15圖，該傳感器包括用于支撐懸臂梁的襯底框架(3)，至少一個(gè)固定于襯底框架上的懸臂梁結(jié)構(gòu)，固定在構(gòu)成所述懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩個(gè)懸臂梁(1)交叉成銳角端的反光板(2)。所述懸臂梁結(jié)構(gòu)由兩個(gè)交叉成銳角的懸臂梁(1)構(gòu)成，兩個(gè)懸臂梁(1)交叉成銳角端固定有反光板(2)，兩個(gè)懸臂梁(1)交叉成銳角端的 20對(duì)端分別固定于襯底框架(3)上。所述襯底框架(3)為單晶硅材料，單晶硅襯底起到支撐懸臂梁的作用。懸臂梁通過(guò)兩個(gè)固定端固定在單晶硅襯底(3)上，懸臂梁的自由端 則是反光板(2)。在初始狀態(tài)，入射光與反光板(2)成一定角度照射到 25反光板(2)上，然后以與入射角度相同的角度反射出去，當(dāng)反光板(2) 和懸臂梁表面的敏感層吸附了探測(cè)目標(biāo)之后，懸臂梁的上下表面應(yīng)力差發(fā) 生改變，導(dǎo)致懸臂梁彎曲，使得光的入射角和反射角都發(fā)生變化，使用 PSD(position-sensitive detector)可得到懸臂梁彎曲的變化量。
如圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器另一種形式的示意圖。依據(jù)圖3，襯底框架(3)的兩側(cè)可以排列由多個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，所述構(gòu) 成懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩個(gè)懸臂梁的長(zhǎng)一般為210至45(Him，寬一般為5至 5 50(im。所述反光板(2) —般為方形，方形反光板面積為卯0至200(Him2， 反光板中心到支撐框架邊緣的垂直距離一般為200至S00^im。所述氮化硅層厚度一般為1至2pm，鉻層厚度一般為50至100埃， 金層厚度一般為300至1000nm。10如圖4所示，圖4為本發(fā)明提供的三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的剖面 圖。懸臂梁和反光板一般為多層結(jié)構(gòu)，在該多層結(jié)構(gòu)中，支撐層為低應(yīng)力 氮化硅(4)，在所述氮化硅層(4)上蒸發(fā)淀積有鉻/金雙金屬層(5)。在反光板和懸臂梁的金層表面設(shè)置有敏感層，敏感層一般為由生物活 15性材料構(gòu)成的自組裝單分子膜。如圖5所示，圖5為本發(fā)明提供的制作三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的 方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟501:采用雙面拋光p型硅片，經(jīng)過(guò)常規(guī)清洗后，在硅片兩面使20 用LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅層；步驟501:用第一塊掩模板在硅片背面定義出刻蝕窗口，然后刻蝕掉 氮化硅；步驟503:用第二塊掩模版在正面進(jìn)行光刻，經(jīng)刻蝕，形成反光板和 懸臂梁以及支撐懸臂梁的襯底框架； 25 步驟504:在步驟503得到的硅片的正面，使用電子束蒸發(fā)淀積鉻/金雙金屬膜；步驟505:用KOH濕法腐蝕硅襯底，釋放反光板和懸臂梁，得到三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器。30 具體制作三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的方法還可以參照?qǐng)D6，圖6為
本發(fā)明提供的制作三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的工藝流程示意圖。圖5所示各步驟501至505分別對(duì)應(yīng)于圖6中的601至605。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在于，該傳感器包括用于支撐懸臂梁的襯底框架；至少一個(gè)固定于襯底框架上的懸臂梁結(jié)構(gòu)；固定在構(gòu)成所述懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩個(gè)懸臂梁交叉成銳角端的反光板。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在 于，所述懸臂梁結(jié)構(gòu)由兩個(gè)交叉成銳角的懸臂梁構(gòu)成，兩個(gè)懸臂梁交叉成 銳角端固定有反光板，兩個(gè)懸臂梁交叉成銳角端的對(duì)端分別固定于襯底框10 架上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特 征在于，所述襯底框架為單晶硅材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在 于，所述懸臂梁和反光板為多層結(jié)構(gòu)。15
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在于，所述多層結(jié)構(gòu)中，支撐層為低應(yīng)力氮化硅，在所述氮化硅層上蒸發(fā)淀 積有鉻/金雙金屬層。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在 于，所述氮化硅層厚度為1至2pm,鉻層厚度為50至100埃，金層厚度20為300至1000,。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在 于，所述反光板和懸臂梁的金層表面設(shè)置有敏感層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在 于，所述敏感層為由生物活性材料構(gòu)成的自組裝單分子膜。25
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，其特征在于，所述反光板的形狀為方形，所述方形反光板面積為900至2000pm2， 反光板中心到支撐框架邊緣的垂直距離為200至800pm;所述懸臂梁的長(zhǎng) 為210至450iim，寬為5至50pm。
10、 一種三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的制作方法，其特征在于，該方30 法包括A、 采用雙面拋光p型硅片，經(jīng)過(guò)常規(guī)清洗后，在硅片兩面使用LPCVD淀積低應(yīng)力氮化硅層；B、 用第一塊掩模板在硅片背面定義出刻蝕窗口，然后刻蝕掉氮化硅;C、 用第二塊掩模版在正面進(jìn)行光刻，經(jīng)刻蝕，形成反光板和懸臂梁 以及支撐懸臂梁的襯底框架；D、 在步驟C得到的硅片的正面，使用電子束蒸發(fā)淀積鉻/金雙金屬膜;E、 用KOH濕法腐蝕硅襯底，釋放反光板和懸臂梁，得到三角形結(jié)構(gòu) 微懸臂梁傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三角形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁傳感器，該傳感器包括用于支撐懸臂梁的襯底框架；至少一個(gè)固定于襯底框架上的懸臂梁結(jié)構(gòu)；固定在構(gòu)成所述懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩個(gè)懸臂梁交叉成銳角端的反光板。本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)了一種三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁傳感器的制作方法。利用本發(fā)明，提高了測(cè)量的精度，在使用光學(xué)讀出的系統(tǒng)中，使測(cè)量結(jié)果更加精確，并提高了成品率，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；在生物化學(xué)量的測(cè)量中，特別是在液體環(huán)境下的測(cè)量，可以得到廣泛的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B81B7/02GK101131354SQ20061011255
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月23日
發(fā)明者葉甜春, 張春川, 凱 李, 毅 歐, 陳大鵬, 黃欽文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所